JP4910656B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
内燃機関の主排気通路に設けられた排気浄化用の触媒と、
前記触媒より下流側において前記主排気通路をバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられ、NOxを吸着する機能を有するNOx吸着材と、
排気ガスを前記バイパス通路に流すバイパス状態と前記バイパス通路に流さない非バイパス状態とに切り替え可能な流路切替手段と、
冷間始動時(「始動時」とは、始動後まもない期間を言うものとする。以下同じ。)には前記流路切替手段を前記バイパス状態とし、温間始動時には前記流路切替手段を前記非バイパス状態とする流路制御手段と、
冷間始動時の空燃比を温間始動時の空燃比よりリッチとする空燃比制御を行う空燃比制御手段と、
を備えることを特徴とする。
前記空燃比制御手段は、遅くとも、前記NOx吸着材からのNOxの脱離が始まるタイミングの近傍で、前記空燃比制御を終了することを特徴とする。
前記空燃比制御手段は、冷間始動時の空燃比を理論空燃比近傍に制御することを特徴とする。
内燃機関の主排気通路に設けられた排気浄化用の触媒と、
前記触媒より下流側において前記主排気通路をバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられ、NOxを吸着する機能を有するNOx吸着材と、
排気ガスを前記バイパス通路に流すバイパス状態と前記バイパス通路に流さない非バイパス状態とに切り替え可能な流路切替手段と、
冷間始動時に前記流路切替手段を前記バイパス状態とする流路制御手段と、
冷間始動時の空燃比を理論空燃比近傍に制御する空燃比制御を行う空燃比制御手段と、
を備え、
前記空燃比制御手段は、遅くとも、前記NOx吸着材からのNOxの脱離が始まるタイミングの近傍で、前記空燃比制御を終了することを特徴とする。
前記流路制御手段は、前記空燃比制御の終了とほぼ同じタイミングで前記バイパス状態から前記非バイパス状態へ切り替えることを特徴とする。
前記触媒より下流側において前記主排気通路をバイパスするバイパス通路に設けられ、HCを吸着する機能を有するHC吸着材を更に備えることを特徴とする。
冷間始動時の点火時期を温間始動時の点火時期より遅くする点火時期遅角手段を更に備えることを特徴とする。
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記流路切替手段が前記バイパス状態にあるときに吸入空気量が所定値を超えた場合に、空燃比を一時的に減少させるリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
を更に備え、
前記流路制御手段は、前記流路切替手段が前記バイパス状態にあるときに吸入空気量が前記所定値を超えた場合に、前記流路切替手段を前記非バイパス状態に切り替えることを特徴とする。
内燃機関の主排気通路に設けられた排気浄化用の触媒と、
前記触媒より下流側において前記主排気通路をバイパスする第1バイパス通路および第2バイパス通路と、
前記第1バイパス通路に設けられ、HCを吸着する機能を有するHC吸着材と、
前記第2バイパス通路に設けられ、NOxを吸着する機能を有するNOx吸着材と、
排気ガスを前記第1バイパス通路に流すバイパス状態と前記第1バイパス通路に流さない非バイパス状態とに切り替え可能な第1の流路切替手段と、
排気ガスを前記第2バイパス通路に流すバイパス状態と前記第2バイパス通路に流さない非バイパス状態とに切り替え可能な第2の流路切替手段と、
前記第1の流路切替手段と前記第2の流路切替手段とを独立に制御する流路制御手段と、
を備えることを特徴とする。
前記流路制御手段は、冷間始動後、前記第2の流路切替手段が前記バイパス状態になっているNOx吸着期間が、前記第1の流路切替手段が前記バイパス状態になっているHC吸着期間より短くなるように、前記第1および第2の流路切替手段を制御することを特徴とする。
前記空燃比制御手段は、冷間始動後、遅くとも、前記HC吸着材からのHCの脱離が始まるタイミングの近傍で前記第1の流路切替手段を前記バイパス状態から前記非バイパス状態に切り替え、遅くとも、前記NOx吸着材からのNOxの脱離が始まるタイミングの近傍で前記第2の流路切替手段を前記バイパス状態から前記非バイパス状態に切り替えることを特徴とする。
前記流路制御手段は、
冷間始動後、前記第1の流路切替手段をバイパス状態から非バイパス状態に切り替えるべきタイミングを検出するHC吸着終了タイミング検出手段と、
冷間始動後、前記第2の流路切替手段をバイパス状態から非バイパス状態に切り替えるべきタイミングを検出するNOx吸着終了タイミング検出手段と、
を含むことを特徴とする。
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
前記HC吸着終了タイミング検出手段は、前記吸入空気量の積算値が第1所定値に達した時点をHC吸着終了タイミングとして検出し、
前記NOx脱離推定手段は、前記吸入空気量の積算値が前記第1所定値より小さい第2所定値に達した時点をNOx吸着終了タイミングとして検出することを特徴とする。
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
前記HC吸着終了タイミング検出手段は、前記吸入空気量が第1所定値を超えた時点をHC吸着終了タイミングとして検出し、
前記NOx脱離推定手段は、前記吸入空気量が前記第1所定値より小さい第2所定値を超えた時点をNOx吸着終了タイミングとして検出することを特徴とする。
前記第1および第2の流路切替手段が前記バイパス状態とされる冷間始動時の空燃比を、前記第1および第2の流路切替手段を前記非バイパス状態とされる温間始動時の空燃比よりリッチとする空燃比制御を行う空燃比制御手段を更に備えることを特徴とする。
冷間始動時の空燃比を理論空燃比近傍に制御する空燃比制御を行う空燃比制御手段を更に備え、
前記流路切替手段は、冷間始動時に前記第1および第2の流路切替手段を前記バイパス状態とし、
前記空燃比制御手段は、遅くとも、前記NOx吸着材からのNOxの脱離が始まるタイミングの近傍で、前記空燃比制御を終了することを特徴とする。
前記空燃比制御手段は、冷間始動時の空燃比を、理論空燃比、理論空燃比より僅かにリーンな弱リーン空燃比、理論空燃比より僅かにリッチな弱リッチ空燃比、の何れかの空燃比に制御することを特徴とする。
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記第1および第2の流路切替手段が前記バイパス状態にあるときに吸入空気量が所定値を超えた場合に、空燃比を一時的に減少させるリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
を更に備えることを特徴とする。
[システム構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1のシステムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、例えば車両の駆動源として用いられる内燃機関10を備えている。この内燃機関10は、点火プラグ12を備えた火花点火式のものである。内燃機関10には、吸気通路14および主排気通路16がそれぞれ接続されている。内燃機関10の吸気ポートには、燃料を噴射する燃料インジェクタ18が設置されている。なお、内燃機関10は、このようなポート噴射式のものに限らず、燃料を筒内に直接に噴射するものや、ポート噴射と筒内直接噴射とを併用するものであってもよい。
内燃機関10の冷間始動直後は、上流触媒20や下流触媒22の温度が低いため、それらの活性が不十分である。このため、HCやNOxを上流触媒20および下流触媒22で十分に浄化することができない。そこで、本システムでは、冷間始動直後には、排気ガスを第1バイパス通路28および第2バイパス通路34に通すことにより、HCおよびNOxをHC吸着材30およびNOx吸着材36に吸着させることとしている。これにより、冷間始動直後におけるHCおよびNOxの大気中への放出量を大幅に低減することができる。
図2中の上のグラフにおける細い実線は、下流触媒22の出口(以下「触媒出口」という)におけるHC濃度を表している。内燃機関10が時刻t0において冷間始動すると、触媒出口のHC濃度は、最初、急上昇する。これは、上流触媒20や下流触媒22が活性化していないため、両触媒においてHCがほとんど浄化されないからである。その後、触媒出口のHC濃度は、ピークを迎え、上流触媒20や下流触媒22の活性が高まるにつれて、徐々に減少する。そして、上流触媒20や下流触媒22が十分に活性化すると、触媒出口のHC濃度はほぼゼロになる(時刻t3)。仮にHC吸着材30(第1バイパス通路28)に排気ガスを全く流さなかったとすると、上述のようなHC濃度の排気ガスがそのまま大気中へ放出されることになる。一方、HC吸着材30に排気ガスを流した場合には、上述のようなHC濃度の排気ガスがHC吸着材30に流入することになる。
図2中の上のグラフにおける太い実線は、始動時点(時刻t0)よりHC吸着材30(第1バイパス通路28)に排気ガスを流し続けた場合におけるHC排出特性(HC吸着材30から出た排気ガスのHC濃度)を表している。この場合、機関始動後しばらくの間は、排気ガス中のHCがHC吸着材30に吸着されるので、HC吸着材30から出た排気ガスのHC濃度は、ゼロに近く保たれる。また、上述したように、時刻t3になると、HC吸着材30に流入する排気ガスのHC濃度は、ほぼゼロになる。しかしながら、HC吸着材30は、温度が高くなると、吸着したHCが脱離するという性質がある。このため、そのままHC吸着材30に排気ガスを流し続けると、HC吸着材30の温度が上昇し、吸着されていたHCが脱離し始める。その結果、HC吸着材30から出た排気ガスのHC濃度は、上昇に転じる(時刻t4)。
図2中の下のグラフにおける細い実線は、触媒出口におけるNOx濃度を表している。内燃機関10が時刻t0において冷間始動すると、触媒出口のNOx濃度は、最初、急上昇する。これは、上流触媒20や下流触媒22が活性化していないため、両触媒においてNOxがほとんど浄化されないからである。その後、触媒出口のNOx濃度は、ピークを迎え、上流触媒20や下流触媒22の活性が高まるにつれて、徐々に減少する。そして、上流触媒20や下流触媒22が十分に活性化すると、触媒出口のNOx濃度はほぼゼロになる。仮にNOx吸着材36(第2バイパス通路34)に排気ガスを全く流さなかったとすると、上述のようなNOx濃度の排気ガスがそのまま大気中へ放出されることになる。一方、NOx吸着材36に排気ガスを流した場合には、上述のようなNOx濃度の排気ガスがNOx吸着材36に流入することになる。
一方、図2中の下のグラフにおける太い実線は、始動時点(時刻t0)よりNOx吸着材36(第2バイパス通路34)に排気ガスを流し続けた場合におけるNOx排出特性(NOx吸着材36から出た排気ガスのNOx濃度)を表している。この場合、機関始動後しばらくの間は、排気ガス中のNOxがNOx吸着材36に吸着されるので、NOx吸着材36から出た排気ガスのNOx濃度は、ゼロに近く保たれる。また、上流触媒20や下流触媒22が活性化するに従い、NOx吸着材36に流入する排気ガスのNOx濃度は減少していく。しかしながら、NOx吸着材36は、温度が高くなると、吸着したNOxが脱離するという性質がある。このため、そのままNOx吸着材36に排気ガスを流し続けると、NOx吸着材36の温度が上昇し、吸着されていたNOxが脱離し始める。その結果、NOx吸着材36から出た排気ガスのNOx濃度は、上昇に転じる(時刻t1)。
図3は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関10の始動時に実行されるものとする。図3に示すルーチンによれば、まず、水温センサ40により検出される冷却水温が取得される(ステップ100)。次いで、HCおよびNOxをHC吸着材30およびNOx吸着材36に吸着させる要求の有無が判別される(ステップ102)。ステップ102では、具体的には、上記ステップ100で取得された冷却水温に基づいて、その判別がなされる。冷却水温が所定の判定値以上である場合には、今回の始動は、機関停止から間もない時点での始動、つまり温間始動であり、よって上流触媒20および下流触媒22はHCおよびNOxを十分に浄化可能な温度に保たれている、と判断できる。この場合には、HCおよびNOxをHC吸着材30およびNOx吸着材36に吸着させる必要はないので、HC吸着材30およびNOx吸着材36に排気ガスが流れないように、第1の流路切替バルブ32および第2の流路切替バルブ38が共に非バイパス状態とされる(ステップ104)。
次に、図4および図5を参照して、本発明の実施の形態2について説明するが、上述した実施の形態1との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU50に、後述する図5に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
従来より、始動直後のエミッションを低減するため、始動直後においては理論空燃比よりもリーンな空燃比(以下単に「リーン空燃比」という)で内燃機関10を運転することが行われている。ここで言うリーン空燃比の値は、燃料がガソリンの場合、例えば15.5程度である。従来、始動直後に内燃機関をリーン空燃比で運転している理由は、次のようなものである。
前述した実施の形態1で説明した、図2に示すHCおよびNOxの排出特性も、内燃機関10をリーン空燃比で運転した場合のものである。前述したように、実施の形態1では、HC吸着材30を設けたことにより、冷間始動後に大気中に放出されるHC量をゼロに近くすることができる。その一方で、NOxに関しては、僅かながらも大気中への放出が生ずる(図2中のクロスハッチング部分A)。よって、このNOxを更に少なくすることができれば、実施の形態1よりもエミッションを更に低減することができる。そこで、本実施形態では、実施の形態1よりもNOx排出量を更に少なくするために、冷間始動直後の空燃比を従来よりもリッチ化することとした。
図5は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関10の始動時に実行される。以下、図5において、図3に示すステップと同様のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
次に、図6を参照して、本発明の実施の形態3について説明するが、上述した実施の形態1との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU50に、後述する図6に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
前述したように、NOx吸着材36あるいはHC吸着材30のような吸着材は、温度が高くなると、吸着した有害成分を脱離させる。この脱離が生ずる温度を以下「脱離温度」と称する。吸着材の温度が脱離温度に達していなくても、吸着材を通過する排気ガスの流量(流速)が高くなると、吸着された有害成分が洗い流されるようにして、脱離が生ずる。このため、NOx吸着材36やHC吸着材30で吸着を行っているときに、車両の急加速などによって機関負荷が増大し、排気ガス流量が急増すると、NOxやHCの脱離が生ずる場合がある。このような場合には、NOxやHCの脱離を防止するため、NOx吸着やHC吸着を終了すること、つまり第2の流路切替バルブ38や第1の流路切替バルブ32を非バイパス状態に切り替えることが好ましい。
図6は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関10の始動時に実行される。以下、図6において、図3に示すステップと同様のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
次に、図7を参照して、本発明の実施の形態4について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU50に、後述する図7に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
本実施形態では、実施の形態2で述べたのと同様の理由により、冷間始動直後、内燃機関10を理論空燃比または弱リーン空燃比で運転する。
図7は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関10の始動時に実行される。以下、図7において、図6に示すステップと同様のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
12 点火プラグ
14 吸気通路
16 主排気通路
18 燃料インジェクタ
20 上流触媒
22 下流触媒
24 空燃比センサ
26 酸素センサ
28 第1バイパス通路
30 HC吸着材
32 第1の流路切替バルブ
34 第2バイパス通路
36 NOx吸着材
38 第2の流路切替バルブ
40 水温センサ
Claims (10)
- 内燃機関の主排気通路に設けられた排気浄化用の触媒と、
前記触媒より下流側において前記主排気通路をバイパスする第1バイパス通路および第2バイパス通路と、
前記第1バイパス通路に設けられ、HCを吸着する機能を有するHC吸着材と、
前記第2バイパス通路に設けられ、NOxを吸着する機能を有するNOx吸着材と、
排気ガスを前記第1バイパス通路に流すバイパス状態と前記第1バイパス通路に流さない非バイパス状態とに切り替え可能な第1の流路切替手段と、
排気ガスを前記第2バイパス通路に流すバイパス状態と前記第2バイパス通路に流さない非バイパス状態とに切り替え可能な第2の流路切替手段と、
前記第1の流路切替手段と前記第2の流路切替手段とを独立に制御する流路制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記流路制御手段は、冷間始動後、前記第2の流路切替手段が前記バイパス状態になっているNOx吸着期間が、前記第1の流路切替手段が前記バイパス状態になっているHC吸着期間より短くなるように、前記第1および第2の流路切替手段を制御することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記空燃比制御手段は、冷間始動後、遅くとも、前記HC吸着材からのHCの脱離が始まるタイミングの近傍で前記第1の流路切替手段を前記バイパス状態から前記非バイパス状態に切り替え、遅くとも、前記NOx吸着材からのNOxの脱離が始まるタイミングの近傍で前記第2の流路切替手段を前記バイパス状態から前記非バイパス状態に切り替えることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記流路制御手段は、
冷間始動後、前記第1の流路切替手段をバイパス状態から非バイパス状態に切り替えるべきタイミングを検出するHC吸着終了タイミング検出手段と、
冷間始動後、前記第2の流路切替手段をバイパス状態から非バイパス状態に切り替えるべきタイミングを検出するNOx吸着終了タイミング検出手段と、
を含むことを特徴とする請求1乃至3の何れか1項記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
前記HC吸着終了タイミング検出手段は、前記吸入空気量の積算値が第1所定値に達した時点をHC吸着終了タイミングとして検出し、
前記NOx吸着終了タイミング検出手段は、前記吸入空気量の積算値が前記第1所定値より小さい第2所定値に達した時点をNOx吸着終了タイミングとして検出することを特徴とする請求項4記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
前記HC吸着終了タイミング検出手段は、前記吸入空気量が第1所定値を超えた時点をHC吸着終了タイミングとして検出し、
前記NOx吸着終了タイミング検出手段は、前記吸入空気量が前記第1所定値より小さい第2所定値を超えた時点をNOx吸着終了タイミングとして検出することを特徴とする請求項4記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記第1および第2の流路切替手段が前記バイパス状態とされる冷間始動時の空燃比を、前記第1および第2の流路切替手段が前記非バイパス状態とされる温間始動時の空燃比よりリッチとする空燃比制御を行う空燃比制御手段を更に備えることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 冷間始動時の空燃比を理論空燃比近傍に制御する空燃比制御を行う空燃比制御手段を更に備え、
前記流路制御手段は、冷間始動時に前記第1および第2の流路切替手段を前記バイパス状態とし、
前記空燃比制御手段は、遅くとも、前記NOx吸着材からのNOxの脱離が始まるタイミングの近傍で、前記空燃比制御を終了することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記空燃比制御手段は、冷間始動時の空燃比を、理論空燃比、理論空燃比より僅かにリーンな弱リーン空燃比、理論空燃比より僅かにリッチな弱リッチ空燃比、の何れかの空燃比に制御することを特徴とする請求項7または8記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記第1および第2の流路切替手段が前記バイパス状態にあるときに吸入空気量が所定値を超えた場合に、空燃比を一時的に減少させるリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項記載の内燃機関の排気浄化装置。
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